一、地形、地貌
疏勒河流域是一个山地与平原相间分布的地区。南部为阿尔金山和祁连山脉，其间为山间河谷盆地，中部为走廊平原及走廊内部山地，北部为北山山地。疏勒河流域在地貌类型上可划分为4个大的地貌单元:侵蚀构造地貌，分布于南部的祁连山-阿尔金山区;构造剥蚀地貌，北山及走廊山脉皆属之;堆积地貌，分布于疏勒河流域中、下游平原;风成地貌，包括风积地貌和风蚀地貌。风积地貌主要包括库姆塔格沙漠和鸣沙山沙漠及走廊内部部分沙地。风蚀地貌分布于敦煌魔鬼城一带。
二、水文、气象
疏勒河流域主要地表水系有赤金河、疏勒河、榆林河、党河等主要河流，均源于南部祁连山，山地终年积雪，发育现代冰川，流域含冰川639条，冰川储量为333.46×108m3，面积达589.64km2，为河西三大流域之首。高山固体冰川及丰富的降水为这些河流提供了水源，形成中、下游生态系统不可缺少的径流资源。多年平均出山径流量15.912×108m3。疏勒河为本区最大的河流，源自海拔四千余米的大雪山。冰川融水汇合降水及地下水形成山区径流，经昌马堡多年平均径流量27.11m3/s，出山口后散流于昌马洪积扇，至前缘汇泉水向西经双塔堡入安西盆地至哈拉诺尔，向东北入花海盆地至干海子。榆林河流经上游石包城盆地时，地表水与地下水相互转化，至蘑菇台处大部分径流由地下水组成，冰川融水仅占5.9%。赤金河属石油河下游。1988年疏花干渠修建后从疏勒河引入水量0.2×108m3/a，2004年引水量已达0.7×108m3/a，入花海径流量已达1.12×108m3/a。党河是疏勒河的主要支流，于肃北党城湾出祁连山。历史上曾于安西西湖—敦煌北湖一带汇入疏勒河。1978年党河水库修建后，敦煌以北基本断流，大部分河水被引入灌区，灌溉敦煌绿洲。
疏勒河流域气候为典型的大陆性季风气候，跨越了3个不同类型的气候区，南部为祁连山高寒半干旱区，西部为河西暖温带干旱区，北部为河西冷温带干旱区。本区气候具有大陆性气候和青藏高原气候综合影响的特点。河西地区的气象条件在水平分布上具有明显的东西和南北差异。南部祁连山-阿尔金山区，年降水量150～500mm，蒸发量1300～1700mm，年均气温0～4℃;中部走廊平原年降水量50～250mm，蒸发量2200～2800mm，年均气温6～8℃。降水量年内分配很不均匀，山区6～9月的降水量占全年的80%～90%，平原区6～9月的降水量占全年的60%～80%。年降水Cv值由河源区的0.18～0.21逐渐增大为出山口(或山前)的0.35～0.38，走廊平原的0.37～0.45。随着海拔的增高，降水量总体上呈现增大的趋势，而蒸发量呈减少、气温呈降低的特征。
三、地质、构造
疏勒河流域处在几个构造体系交接复合部位，前第四系在南山系几乎缺失古生界，北山系主要由奥陶系-志留系及海西期花岗岩组成。古生界及前古生界、中生界及古近系、新近系、侵入岩均有出露。第四系主要分布在流域三大构造盆地，其间堆积了巨厚的第四系物质，其特征是从山前到平原，从南盆地到北盆地，沉积物由冰水→冲洪积→冲积→冲湖积→湖积相变化。下更新统(Qp1)、中更新统(Qp2)、上更新统(Qp3)、全新统(Qh)分布广泛。
疏勒河流域自南而北跨越祁连山褶皱系、塔里木地台、天山褶皱系3个一级构造单元，和祁连中间隆起带、北祁连地槽褶皱带、阿尔金断隆、走廊过渡带、敦煌地轴、北山地向斜褶皱带、明水中间隆起带、北天山地向斜褶皱带8个二级构造单元。各二级构造单元进一步划分为乌兰大坂隆起、陶莱南山-大通山复背斜、妖魔山-毛毛山复向斜、北祁连西部中间隆起、陶莱南山-马雅山复向斜、酒泉-民乐坳陷、肃北断陷束、安西新坳陷、三危山拱断束、西碱泉拱断束、公婆泉复向斜、马鬃山复背斜、音凹峡复向斜、红石山复向斜、黑鹰山复背斜15个次级构造单元。
各构造单元之间均发育北西、北北西和近东西向的深大断裂(或断层带)，主要有明水中间隆起带北侧深断裂、星星峡-石板井深断裂、敦煌地轴北侧深断裂、阿尔金山北缘深断裂、祁连山北缘大断裂、祁连山中间隆起带北侧深断裂、三危山北侧大断裂。这些深大断裂多数属压扭性逆掩断裂。受区域构造运动的影响和控制，这些深大断裂往往伴生有数量繁多、规模不等的次级和更次一级断裂构造，一般与主构造断裂呈小角度斜交或基本平行发育分布，长度20～100km，最短仅40～100m，最长150km左右，断层深度数百至数千米。主、次断裂所组成的构造带，对现今的地貌-构造格局乃至地下水的形成、分布、赋存和运移产生着深刻的影响。
综上所述，中生代以来的历次构造运动奠定了流域内3个大地构造轮廓，即南部的祁连山地槽褶皱和阿尔金山断块，北部的北山(马鬃山)断块，中部的断陷盆地。
走廊平原是新生代以来的沉降盆地，其间堆积了巨厚的陆源半胶结-松散的山麓相、河湖相物质。总的来说，玉踏、安敦、花海等盆地边界均受区域断裂和构造隆起控制，底界以上新统(N2)-下更新统(Qp1)为主，但各盆地第四系厚度、底界形态、边界类型各具特色。